Работа № 6. Использование электронного осциллографа для измерения магнитных характеристик ферромагнетика



Цель работы: измерить основные магнитные характеристики ферромагнетика, используя электронный осциллограф.

Приборы и материалы: тороидальный образец ферромагнетика, осциллограф, амперметр (миллиамперметр), вольтметр цифровой, лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), интегрирующая цепочка RC, ключ, регулируемое сопротивление R (реостат). На образце имеются: намагничивающая обмотка n1 и измерительная обмотка n2.

 

Если по намагничивающей обмотке тороидального образца пропускать переменный синусоидальный ток силы I, то в обмотке возникнет переменное синусоидальное магнитное поле напряженности Н, которое перемагничивает образец, т.е. изменяет его магнитную индукцию В с частотой перемагничивающего поля f. Зная число витков намагничивающей обмотки n1, длину средней линии ℓ тороида образца и измерив силу тока I, можно рассчитать напряженность магнитного поля по формуле:

 (А/м).                                                 (1)

Периодическое изменение магнитной индукции В образца вслед за изменяющимся магнитным полем происходит по замкнутой кривой ‑ петле гистерезиса (рис. 8.1.). Значение магнитной индукции в образце Вz при значении напряженности магнитного поля Н = 0 называют остаточной индукцией, а значение магнитного поля Нс, необходимое для сведения остаточной индукции Вz к нулю ‑ коэрцитивной силой образца. Площадь петли гистерезиса прямо пропорциональна потерям энергии на гистерезисные явления и вихревые токи. Для измерения магнитной индукции В используют измерительную обмотку n2 образца. Зная сечение образца S, частоту перемагничивания f, число витков обмотки n2 и измерив индуцируемое в ней напряжение U, можно рассчитать магнитную индукцию по формуле               .                                      (2) 

Из рисунка 8.1.б, на котором представлено семейство частных петель гистерезиса, соответствующих различным максимальным значением Нm магнитного поля, видно, что величина Вr, Нс и потерь в общем случае зависит от максимальной величины перемагничивающего поля. Вершины семейства частных петель гистерезиса лежат на кривой ОМ, называемой кривой намагничивания (или кривой индукции). По этой кривой изменялась бы магнитная индукция предварительно размагниченного образца (В = 0) при постепенном возрастании от нуля наложенного на него магнитного поля. Перечисленные выше характеристики играют важную роль в практике использования магнитных материалов. Их удобно измерять, используя электронный осциллограф. Схема установки для этой цели приведена на рис. 2.

Рис. 6.1. Петля гистерезиса

Порядок выполнения работы

Перед началом работы необходимо проверить соответствие монтажа установки ее принципиальной схеме, ознакомиться с ее элементами и приборами.

Рис. 6.2. Электрическая схема установки

Данную установку характеризует следующие параметры: число витков намагничивающей обмотки n1 = 56; число витков измерительной обмотки n2 = 155; сечение образца S = 1×10‑4 м2; длина средней линии тороида образца ℓ = 0,14 м; частота перемагничивания f =50 Гц.

Задание 1. Определите значения Вm, Вz и Нс образца для предельной петли гистерезиса, соответствующей максимальному току в намагничивающей обмотке Im = 0,1 А

1) Перед началом измерений ручка ЛАТР’а должна быть установлена на нуль. Замкните ключ К и, плавно вращая ручку ЛАТР’а, установите в намагничивающей цепи ток Im = 0,1 А.

2) Реостатом R и ручками управления осциллографом установите на экране осциллографа изображение петли гистерезиса симметрично относительно центра координатной сетки, подобрав по осям Х и Y размеры петли, удобные для измерения.

3) Измерьте напряжение Um(В), развиваемое в измерительной обмотке n2 при токе Im = 0,1 А. По формулам (1) и (2) рассчитайте величину поля Hm и индукции Вm.

4) Определите масштабы по осям X и Y в единицах А/(м∙мм) и Тл/мм соответственно. Используя миллиметровую линейку (или полоску миллиметровой бумаги), найдите величины Нс и Вz.

5) Величину погрешности в измерении Im и Um определите по классу точности используемых приборов, а погрешности для Вm и Вz, Нс рассчитайте по формулам расчета погрешностей для косвенных измерений. Полученные данные занести в таблицу 1.

 

Таблица 1

Im DIm Um DUm Hm Hc DH Bm Br DB
Ед. изм.                    
1.                    

Задание 2. Постройте кривую намагничивания В(Н)

Последовательно уменьшая ток в намагничивающей цепи от 0,10 А до 0,02 А и измеряя соответствующие току значения напряжения в измерительной обмотке n2, определите значения Нm и Bm для частных петель гистерезиса. Данные занести в таблицу 2.

Для построения кривой найти не менее семи точек для зависимости В(Н). Постройте график зависимости В(Н). Кривую намагничивания на участке величины силы тока 0,02 А до 0 постройте методом экстраполяции. Погрешность определите теми же методами, что и в задании № 1.

Задание № 3. Определите зависимость величины потерь на вихревые токи и гистерезис от величины максимальной магнитной индукции

Из того положения, что величина потерь прямо пропорциональна площади петли гистерезиса, следует формула для определения мощности потерь Р при перемагничивании: 

 (Вт),                                         (3)

где f ‑ частота перемагничивания, S ‑ сечение образца, ℓ ‑ длина средней линии тороида образца, Вm и Нm ‑ максимальные значения магнитной индукции и поля соответственно. Произведя измерения, аналогичные измерениям в задании № 2 и используя формулу (3), можно исследовать зависимость потерь от величины максимальной индукции для любого частного цикла перемагничивания.

 

Таблица 2

 

Im DIm Um DUm Hm DHm Bm DBm Pm DPm
Ед. изм.                    
1.                    
                   
7.                    

 

Погрешности измерения тока и напряжения найдите по классу точности приборов, а погрешности в определении поля, магнитной индукции и потерь рассчитайте по формулам расчета погрешностей для косвенных измерений. Постройте график зависимости Р(Вm).

Задание № 4. Используя указанные значения для Im и Um и данные, полученные в процессе выполнения задания №2, постройте график зависимости U(I)

Можно ли использовать этот график, если снять с установки вольтметр (милливольтметр)?

Контрольные вопросы

 

1. Что такое кривая намагничивания ферромагнетика, и каким образом ее можно получить?

2. Опишите процесс получения петли гистерезиса и назовите основные характеристики ферромагнетика, связанные с петлей гистерезиса.

3. Какой закон обуславливает возникновение ЭДС в измерительной обмотке n2 образца, когда по намагничивающей обмотке n1 пропущен переменный ток?

4. Почему при увеличении напряженности внешнего поля возрастает магнитная индукция в образце?

5. Что является причиной потерь энергии при перемагничивании металлического ферромагнетика?

Приложение:параметры установки и конкретные условия ее работы подобраны таким образом, что при токе в намагничивающей обмотке, превышающем значение 0,10 А, магнитная индукция увеличивается при увеличении магнитного поля по линейному закону. При этом току Im= (0,1±0,0005) А соответствует напряжение в измерительной обмотке Um= (0,036±0,00018) В.

 


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 362;